我们身边的晶体-你真的了解冰么？（文末有惊喜）

2021-01-16 08:15:49, 张振义布鲁克衍射荧光事业部

冰天雪地

随着寒潮一波接着一波，这个冬天有那么几天还真是特别的冷。在上海，我们居然看到了久违的冰凌。除了绝望地穿上了最“后”的防寒装备，江南人民也终于体验了一把站在冰封的湖面上滑冰的乐趣。不过温暖的天气与玩冰的乐趣不可兼得，小区里有个没玩过瘾的小朋友就悲剧地掉进了水里…两次。

▲图一滴水湖的冰凌https://mp.weixin.qq.com/s/sCagrfwhueJBB1fQP_bZJA

冰的结构

我相信这位英勇的小朋友彻底地理解了冰从何而来。天气冷了，当温度降低至冰点之后，液态或气态水分子会分别通过凝固和凝华变成冰。冰实际上是我们身边最常见的晶体之一，而且是最简单的通过H键网络形成的晶体。然而不要小看了冰的结构，在没有阅读相关的科普之前，我还真是不知道原来的冰的结构有这么多种。甚至还“水”了5篇Nature/Science及子刊!

▲图2.不同冰晶内部氢键网络结构

https://www.163.com/dy/article/FLU5BA2M05329TW8.html）

冰的结构-六方相冰

根据目前的研究结果，人们已经发现了20多种不同的冰晶结构。Ih, Ic, II, III, IV, V, …IX. 通常以罗马数字加后缀的形式作标记, 罗马数字后面的h和c分别表示六方和立方晶系。不其中绝大多数冰晶都是在人为实验环境下通过调节压力和温度后得到的。目前只有六方相(hexagonal)冰(Ⅰh)和立方相(cubic)冰(Ⅰc)在自然界中可以自发形成和存在。其中，六方相冰(Ⅰh)因为它形成的条件要求较低，在自然界中分布最广。之所以雪花大多就是六角形状的，也是因为空气中水分子形成六方相冰(Ⅰh)导致的。http://jerkwin.github.io）。六方相冰的晶体结构也是最先得到的晶体结构之一。它的结构排列非常类似金刚石典型的四面体分子排列。只不过这里是H键，而金刚石是共价键。

▲图3，六方相冰(Ⅰh)的晶体结构

冰的结构-立方相冰

除了六方相冰(Ⅰh)外，自然界还存在立方相冰(Ⅰc)。从1981年， E. Whalley教授首次发现了自然界存在立方相冰(Ⅰc)开始，就有很多研究小组在研究立方相冰的形成模式以及如何控制晶体的生长。而其它晶相的冰更是在很多不同的极端实验条件下获得。冰晶结构与成核生长在材料科学、摩擦学、生物学、大气科学等众多领域具有至关重要的作用。例如，生物抗冻蛋白的抗结冰机理，抗结冰材料的研制、冰川之间的相对滑移、大气臭氧降解催化、云和降水的形成等，都与冰的形成息息相关。具体可参见https://www.163.com/dy/article/FLU5BA2M05329TW8.html，作者对相关的研究进行了详细的总结。

实验室里的冰晶

从无序的水到有序的冰，大自然的神奇可以在雪花上体现的淋漓尽致。美国加州理工学院的物理学教授 Kenneth G Libbrecht专门搭建了实验室来研究冰晶和雪花的形成。在他的网站上，我们可以看到美丽的雪花形成的过程，学习到很多关于雪的科学。（http://snowcrystals.com/）。强烈推荐给小朋友们看。不得不说即便是看起来最简单的东西，却蕴藏着很多我们研究不透的科学。科学就在身边，希望能有更多的小朋友，在没有办法逃避的枯燥的应试学习中，能够保持着对世界的好奇，哪怕掉到水里也要探索自然的奥秘。